金屬所研制出雙極可調整流特性的原子厚度隧穿晶體管

　　近日，中國科學院金屬研究所研究人員利用范徳華人工堆垛技術，在少數(shù)原子層硫化鉬（MoS2）與金屬電極之間插層高質量六方氮化硼（h-BN）隧穿結構，制造出能夠通過門電壓調制的雙極反向整流器件。該項成果在單個納米器件中集成了場效應管與多工作組態(tài)二極管（圖1），有望開辟基于二維原子晶體的超微型信息器件的新途徑。10月17日，相關研究成果發(fā)表在《自然-通訊》上。

　　高質量層狀垂直異質結的制備，需要利用超高真空分子束外延生長等手段。然而，此類制備方法對外延材料的基底晶格匹配等要求較高。范徳華堆垛方法是近年來興起的凝聚態(tài)物理研究前沿之一，其利用層狀材料的范徳華結合力，將不同的二維、準二維材料人工堆垛成為任意異質結構，可降低受基底材料的局限。該方法一經發(fā)明，在凝聚態(tài)物理領域引發(fā)全球范圍的研究熱潮。目前，該體系已在介觀尺度下實現(xiàn)了由超高質量界面引起的整數(shù)與分數(shù)量子霍爾效應、電子光學等新奇物理特性。

　　金屬所磁性材料與磁學研究部研究人員發(fā)明了倒置范徳華堆垛的新方法（圖2）。解決了傳統(tǒng)范徳華垂直異質結構難以獲得高質量超薄頂層的結構性難題，目前已申請中國專利一項?；谏鲜龅怪棉D印范徳華堆垛的制備方法，研究人員以少數(shù)層二硫化鉬（MoS2）為研究體系，利用超?。ㄉ贁?shù)原子層）的六方氮化硼（h-BN）作為范德瓦爾斯異質結的隧穿層，系統(tǒng)開展了隧穿晶體管器件研究。研究表明，通過在金屬（Au）和半導體（MoS2）界面之間引入隧穿h-BN，可有效降低界面處的肖脫基勢壘，從而實現(xiàn)通過局域石墨背柵的對通道MoS2費米能級的精確靜電調控（圖3）。

　　所獲得的MoS2隧穿晶體管僅通過門電壓調控即可以實現(xiàn)具有不同功能的整流器件，包括pn二極管、全關、np二極管、全開器件（圖4）。這項工作利用電子隧穿，首次將雙向可調的二極管和場效應管集成到單個納米器件中（此前要通過集成電路才能實現(xiàn)），為未來超薄輕量化、柔性多工作組態(tài)的納米器件開創(chuàng)了新的研究方向。

　　該項工作得到了國家青年千人計劃、國家自然科學基金、科技部重點研發(fā)項目、沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室等的資助。

　　論文鏈接 

圖1.（a）MoS2隧穿晶體管示意圖；（b）輸入正弦波在門電壓調制下的雙向整流效應

圖2.實驗制備倒置范徳華堆垛異質結的示意圖及光學照片

　　圖3.（a）MoS2隧穿晶體管光學照片；（b）器件在源漏偏壓和門電壓參數(shù)空間中的輸出電流特性；（c）樣品的垂直截面透射電鏡圖像

　　圖4.MoS2隧穿晶體管僅通過門電壓調控即可以實現(xiàn)具有不同功能的整流器件，包括正向導通、全關、負向導通、全開器件